Introduction
La fabrication additive – en particulier le modélisation par dépôt fondu (FDM) – est devenue une technique largement répandue pour la production rapide et flexible de composants à base de polymères. Outre les propriétés mécaniques, le comportement thermique des pièces imprimées revêt une importance croissante. En particulier pour les composants fonctionnels, les boîtiers soumis à des contraintes thermiques, les prototypes destinés à des applications spécifiques ou les composants exposés à une génération locale de chaleur, la connaissance de la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique est essentielle pour évaluer le comportement du matériau dans des conditions réelles d’exploitation.
Les polylactides (PLA) comptent parmi les matériaux les plus couramment utilisés dans l’impression 3D par FDM. Cependant, en raison du dépôt couche par couche de ce matériau, des propriétés thermophysiques dépendantes de la direction peuvent apparaître au sein de la structure imprimée. L’orientation des filaments, les conditions de refroidissement et la Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion entre les brins adjacents influencent la vitesse à laquelle la chaleur est transportée à travers la pièce imprimée.
Exercice de mesure
Dans cette étude, la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique d’échantillons de PLA imprimés comme indiqué ci-dessus a été analysée. Les échantillons ont été fabriqués à la même vitesse d’impression, mais selon des orientations différentes. L’objectif était d’étudier l’influence de l’orientation d’impression et de la disposition du filament qui en résulte sur la propagation de la chaleur au sein du matériau.
Les échantillons ont été imprimés à une vitesse de 60 mm/s. Deux variantes correspondent à des couches de filaments déposées à plat directement sur le plateau d’impression : l’une avec un tracé linéaire et l’autre avec un tracé en spirale. Un troisième échantillon a été fabriqué perpendiculairement au plateau d’impression et présente une Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion verticale des filaments.
Méthode et conditions de mesure
La Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique a été déterminée par analyse par flash lumineux (LFA) à l'aide de l'NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . Dans la méthode par flash, la face avant d'un échantillon plane-parallèle est chauffée par une brève impulsion d'énergie. L'élévation de température qui en résulte sur la face arrière de l'échantillon est enregistrée sans contact par un détecteur infrarouge. La Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique de l’échantillon de PLA est calculée à partir de la courbe de signal en fonction du temps.
Le modèle standard* a été utilisé pour l’évaluation. Les conditions de mesure essentielles sont résumées dans le tableau 1.
*Le modèle standard considère la perte de chaleur bidimensionnelle (axe z et direction radiale) de manière similaire à l’ancien modèle de Cape-Lehman [1].
Tableau 1 : Conditions de mesure
| Paramètre | Réglage |
|---|---|
| Échantillon | Polylactide (PLA) |
| Appareil | LFA 717 HyperFlash® |
| Détecteur | MCT |
| Porte-échantillon | 4 échantillons, carré |
| Vitesse de chauffage | 10 K/min |
| Plage de température | de -100 °C à 125 °C |
| Dimensions des échantillons | 10 mm x 10 mm x 09 mm |
Résultats des mesures
La comparaison directe des courbes de Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique des trois échantillons de PLA met en évidence une influence manifeste de l’orientation d’impression. Les échantillons imprimés horizontalement sur un plateau d’impression non chauffé, avec des trajectoires de filament linéaires ou en spirale, présentent des diffusivités thermiques comparables. L’échantillon imprimé verticalement, avec Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion verticale du filament, affiche en revanche des valeurs plus élevées sur toute la plage de températures étudiée.
Cette Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique plus élevée indique une propagation plus efficace de la chaleur le long de la structure filamentaire reliée verticalement. Une raison possible réside dans un degré plus élevé de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion intra- ou interfilamentaire, favorisé par la stratification verticale et le transfert de chaleur vers le PLA déjà extrudé et en cours de refroidissement.
Dans tous les ensembles de données, on observe un saut distinct de la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique aux alentours de 60 °C. Cet effet est caractéristique de la transition vitreuse du PLA. Cette transition marque le passage d’un état vitreux à un état de matière de plus en plus caoutchouteux et affecte en conséquence la mobilité moléculaire du polymère, et donc ses propriétés de transport thermique.
Résumé
Les résultats des mesures montrent que l'orientation d'impression a une influence significative sur la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique du PLA imprimé par FDM. En particulier, l'échantillon construit verticalement, avec une Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion verticale des filaments, présente une Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique plus élevée que les variantes imprimées horizontalement.
L’analyse par flash lumineux réalisée à l’aide de l’ LFA 717 HyperFlash® permet une caractérisation fiable de ces propriétés thermophysiques dépendantes de l’orientation. Cela permet de quantifier les différences liées au procédé dans le comportement thermique des matériaux fabriqués par impression 3D et d’utiliser ces résultats pour optimiser les paramètres d’impression, les géométries des composants et les stratégies de fabrication.